Les plafonds rayonnants froids



Domaine d'application

Les plafonds rayonnants froids font partie des équipements de refroidissement des locaux.
Généralement, de l'eau froide à + 15°C circule au dessus du faux plafond (par ex, serpentins d'eau fixés au dessus de la plaque métallique du faux plafond). Les occupants recevront une composante de rayonnement froid (en réalité, ils émettront de la chaleur vers ce plafond), et l'air du local sera lui aussi refroidi.
  1. Plaque métallique perforée
  2. Elément refroidissant
  3. Laine minérale dans une feuille PE
  4. Plaque carton-plâtre
Ces systèmes ont beaucoup de qualités (absence de bruit et de courants d'air, encombrement nul, faible consommation énergétique,... ) mais aussi un gros défaut : une puissance frigorifique limitée ! (60 à 120 W/m²). Le rapport "puissance frigorifique/prix" ne ferait pas le bonheur de Test-achats !
C'est une technique nouvelle qui vient des pays nordiques : l'été, les chaleurs de Copenhague ne ressemblent pas vraiment à celles de Marseille !
Ce produit étant à la mode, la Belgique voit son parc de plafonds rafraîchissants s'agrandir d'année en année, principalement dans les bureaux mais aussi dans le secteur des commerces. Il faut dire qu'il répond bien aux besoins de nos régions, besoins limités en refroidissemement, ceci pour autant que les apports solaires soient maîtrisés (faible surface vitrée ou protections solaires efficaces).
Cette technique s'adapte à la construction nouvelle (pour des bâtiments conçus de façon à limiter les apports solaires et les apports de chaleur internes), mais aussi en rénovation grâce au fait de ne pas devoir percer des parois pour le passage de gainages d'air volumineux et de pouvoir réutiliser l'installation de chauffage existante.
Cette technique de rafraîchissement est également appréciée dans l'hôtellerie pour son silence !

Fonctionnement

Apport de froid

Les plafonds froids rayonnants sont des émetteurs statiques à paroi sèche. Les échanges de chaleur se font de deux façons différentes 
  • Échange par convection avec l'air ambiant: un minimum de 40 % de la puissance totale émise.

  • Échange par rayonnement avec les parois, meubles, personnes,... : un maximum de 60 % de la puissance.

Apport de chaleur

L'appoint de chaleur en hiver reste un problème même si, en construction nouvelle, le bâtiment étant bien isolé, la demande de chaleur en hiver est limitée. Il est envisageable d'apporter cette chaleur :
  • soit en alimentant en eau chaude les plafonds situés près des façades (près des baies vitrées),

  • soit via un circuit de radiateurs complémentaires,

  • soit grâce à des batteries terminales de réchauffe alimentées en eau chaude et placée en façade,
  • soit grâce à des batteries électriques placées placées sur le conduit d'air de chaque bureau. Mais il faut un débit d'air minimum pour limiter les températures de pulsion.

Technologies

Il existe plusieurs technologies différentes :

La dalle froide ou dalle active :

Le principe consiste à faire circuler dans la dalle de plafond, un serpentin dans lequel transite l'eau froide.
C'est un système peu coûteux à l'investissement (car directement inclus lors de la construction de la dalle).
La puissance frigorifique est faible (60 W/m²).
Avantages : il est possible de réaliser un stockage nocturne de frigories dans la dalle ! Cette technique présente dès lors les avantages du système de stockage frigorifique dans des bâches d'eau glacée (production de frigories au prix du kWh de nuit, diminution de la puissance frigorifique installée, ...)
>  Inconvénients : l'inertie du système rend la régulation très difficile... Y aura-t-il du soleil demain ?  Faut enclencher le refroidissement cette nuit ? De plus, la décharge du froid est indépendante des besoins réels. La température ambiante du local varie dans la journée en fonction des charges du local...

Les faux plafonds à ailettes clipsables : (procédé FRENGER)

La circulation d'eau se fait dans des tuyaux (cuivre, acier, polypropylène, aluminium,...) sur lesquels sont clipsés des plaques (métalliques, plafonnage,...) formant ainsi un faux plafond. Ces plaques peuvent être perforées, afin d'en faire un plénum de pulsion de l'air neuf.
Dans une variante (chaque constructeur ayant développé son propre produit !), des tubes plats sont sertis sur des plaques métalliques.
La puissance frigorifique de ces plafonds atteint 100 W/m2. Son inertie est très faible et donc la régulation de la température ambiante sera aisée.
Un inconvénient : c'est le serpentin qui assure la fonction portante du plafond, ce qui n'est pas l'idéal, à terme (on peut imaginer qu'un montage fait d'usine est plus fiable). Le faux- plafond se présente alors sous forme de lamelles juxtaposées.

Les faux plafonds à répartiteur de froid transversal

Pour favoriser le refroidissement du faux plafond, certains fabricants ont imaginé de fixer des lames métalliques transversalement à la circulation de l'eau froide dans les tubes en cuivre. La puissance de refroidissement en est améliorée.
Exemple de plafonds-froids "bidirectionnels".

Les faux plafonds à tube intégré dans un profilé aluminium :

Ici, l'essentiel consiste à faire communiquer au mieux le froid entre le tube et l'entièreté du plafond métallique ! Un tube intégré à un profilé aluminium permet une excellente conduction du froid (en réalité, de la chaleur), si bien que la différence de température entre l'eau et la surface métallique est seulement de l'ordre de 1°C. Des puissances de 100 à 130 W/m2 actif sont atteintes.
Attention : de telles puissances sont atteintes pour un écart de 10° entre la température moyenne de l'eau (16°C) et la température de l'ambiance (26°C), càd dans des conditions extrêmes.
Le matelas de laine minérale disposé au dessus ou dans les panneaux de plafond permet une limitation des pertes vers le haut et un traitement acoustique du local (par absorption).
Si une lame d'air est conservée entre le panneau et lematelas isolant, une circulation de l'air est possible et donc l'échange convectif avec les tuyaux froids est amélioré.
Le montage est facilité, mais le prix d'achat est augmenté.

Les plafonds à effet convectif renforcé

Afin de favoriser l'effet convectif, des ailettes sont serties sur les tuyauteries. L'idée consiste à créer un effet d'écoulement d'air, de cheminée froide le long de ces ailettes. Cette fois, deux tiers de la puissance est communiquée par convection. La puissance frigorifique est maximale (130 W/m2 et plus) pour autant que le faux plafond reste à claire-voie.

Les faux plafonds à nattes capillaires

Des nattes capillaires (à imaginer avec des diamètres du type spaghetti ! ... de l'ordre de 2,5 mm de diamètre intérieur) en matériau de synthèse sont parcourues par l'eau glacée.
Il s'agit généralement de polypropylène (obtenu par polymérisation du propylène, CH6)
On rencontre ce système :
  • Incorporé dans des modules de faux plafonds : la natte est déposée sur un bac/panneau métallique perforé, recouverte d'une couche d'isolant, puis superposée d'une 2ème plaque métallique qui comprime le tout de telle sorte que le contact entre la natte et le panneau soit favorisé. Une fixation par charnière permet un accès aisé à l'espace technique situé au-dessus de chaque module. Le plastique n'est pas rigide et les contacts sont donc partiels mais ceci est compensé par la totalité de la surface qui entre en jeu (multiplicité des tubes).

  • Fixé sur les parois du local (plafond en plaque de plâtre, murs,...), puis recouvert d'un enduit de type crépi ou d'un revêtement de finition classique. C'est alors l'ensemble de la paroi qui devient rayonnante. C'est une technique qui se prête bien à la rénovation d'anciens locaux.
Ce système présente une très faible inertie (contenance en eau de l'ordre de 40 gr/m² seulement) et permet donc une régulation aisée de la température ambiante.
Le risque de voir les tubes capillaires se boucher est réel, aussi il est généralement recommandé d'utiliser de l'eau déminéralisée.
La puissance frigorifique est faible, comprise entre 50 et 70 W/m².
Remarques.
1° De nombreux fabricants proposent leurs produits sur le marché :
  • des fabricants de faux plafonds qui ont développé la fonction "thermique",
  • des fabricants de matériel thermique qui ont développé la fonction "faux plafond" !
Il est indispensable que les deux fonctions soient totalement maîtrisées et proposées avec des matériaux de qualité.
2° Un plafond froid ne s'achète pas sur "catalogue" et une installation ne peut se concevoir sans qu'un  Ingénieur Conseil n'intègre tous les besoins et exigences du Maître de l'Ouvrage et de l'Architecte.
L'Entrepreneur réalisant un tel système doit en prendre la responsabilité globale tant au point de vue installation (faux plafond) que performance (confort).

Systèmes réversibles : chauffage et rafraîchissement

Un plafond froid peut fonctionner en mode chauffage en période hivernale, mais avec un certain inconfort.
Le réseau de tuyauterie sera alimenté soit en "2 tubes réversibles" (pas moyen, dans ce cas, de faire simultanément du chaud et du froid), soit en 4 tubes, système offrant plus de souplesse.
Le schéma ci-dessous montre l'installation 2 tubes (réseau chaud/froid, dans/sous le plafond) et propose de la coupler avec une ventilation/refroidissement par déplacement, technique complémentaire très efficace pour les occupants. Elle propose aussi la formule d'insertion des tubes dans la structure du bâtiment (augmentation de l'inertie).

Installation

Pose

La pose est généralement délicate car tout défaut dans la planéité d'un faux plafond est directement visible, surtout si la lumière est rasante. Les réceptions d'installation donnent généralement lieu à des discussions tendues entre architecte et installateur !

Risques de condensation

Il ne doit pas y avoir de condensation sur le plafond froid ! Sous peine d'avoir de l'eau sur les papiers de la secrétaire !
Ce procédé est donc à proscrire dans tous les milieux présentant un taux d'humidité élevé (cuisines, sanitaires avec douches, buanderies, ...)
La température de l'eau doit être limitée (généralement un régime 15° - 17°), l'air neuf sera particulièrement sec et diverses mesures de régulation seront prises.

Apport d'air neuf

De l'air neuf hygiénique sera pulsé, de façon distincte au refroidissement des faux plafonds.
Une pulsion de l'air neuf à basse température permet de réduire la puissance frigorifique à vaincre par le plafond.
La déshumidification de cet air neuf en centrale contribue à l'assèchement de l'air des locaux et diminue les risques de condensation.
Une pulsion de l'air neuf au ras du plafond (avec recherche de l'effet Coanda) n'augmente pas l'effet convectif et donc pas la puissance frigorifique.
Par contre, une pulsion en partie basse des locaux, associée à une reprise en partie haute, présente les avantages de confort et d'efficacité énergétique du système de ventilation par déplacement.

Espace nécessaire

La hauteur minimale nécessaire est fonction de l'ensemble des équipements à placer dans le faux plafond. Au cas où seule la fonction thermique est présente, la hauteur minimale requise est de 55 mm.

Préparation de l'eau glacée

On utilisera soit un groupe d'eau glacée spécifique, soit un réseau du circuit principal.
Deux cas particuliers existent cependant :
Les plafonds réalisés par des nappes capillaires, qui requièrent une alimentation en eau déminéralisée. Un circuit spécifique, avec son propre échangeur à plaque en acier inoxydable, sera réalisé sur la boucle d'eau glacée du bâtiment.
Les installations qui peuvent bénéficier d'une source froide naturelle (nappe phréatique, rivière, lac,...), qui profiteront d'une eau de refroidissement en boucle ouverte. Un échangeur, spécialement traité pour résister à la corrosion et au colmatage, permettra le refroidissement à la source froide. Pour fournir l'appoint en plein été, le système est épaulé par un groupe frigorifique (placé en parallèle et dont le condenseur est raccordé à cette même source froide).

Régulation

Le circuit des panneaux est alimenté au régime aller - retour de 15°C - 17°C, généralement.

Contrôle de la condensation

Différentes dispositions seront prises pour limiter le risque de condensation :
  • limitation de la température de départ de l'eau pour les réseaux intégrés dans la dalle de plafond,

  • contrôle de l'humidité relative à proximité du plafond et coupure de la circulation d'eau, pour les réseaux en faux plafonds,

  • contrôle des conditions extérieures pour anticiper les fluctuations d'humidité à l'intérieur du local.
Dans un bâtiment avec fenêtres ouvrantes, l'alimentation du plafond en eau doit pouvoir être interrompue par un contact de feuillure.

Schéma de principe

La régulation de l'alimentation en eau des panneaux vise classiquement au maintien de la température de consigne, mais aussi au contrôle de l'absence de condensation sur les tuyauteries.
Sur base de la mesure de la température de l'air ambiant et de son humidité relative, le régulateur détermine le point de rosée de l'ambiance et limite la température de l'eau à un niveau de 1 à 1,5°C supérieur à ce point de rosée, par action sur une vanne trois voies.
Cette protection peut également être assurée par un détecteur de condensation placé à la surface du tube d'entrée: si l'humidité relative de l'air à la surface du tube approche de la condensation, un contact est actionné; la vanne est fermée et, éventuellement, la pompe est arrêtée.
Cette pompe peut également être mise à l'arrêt.
  • si la température ambiante est inférieure à sa consigne,

  • si le contact de feuillure placé sur les ouvrants des châssis signale une fenêtre ouverte.

Montage

Lorsque plusieurs panneaux doivent être mis en parallèle, on peut prévoir une disposition similaire à la mise en parallèle de radiateurs :
Comme dans les raccordements bitubes, on peut améliorer l'équilibrage de l'installation par un montage en Tickelman :
Chaque circuit présente alors une perte de charge similaire et donc un débit d'alimentation similaire.

Solution proposée par un constructeur de matériel de régulation

  1. Boitier d'ambiance comprenant la mesure de la température d'ambiance et le potentiomètre de réglage de la consigne (que l'on peut aussi limiter dans une plage de +/- 2 K autour d'une valeur de base réglée d'avance)
  2. Hygrostat limiteur pour le contrôle de la condensation, actionnant le circulateur.
  3. Sonde d'applique pour le contrôle de la température effective à l'entrée du réseau.
  4. Régulateur numérique (liaisonnable à la GTC par bus 2 fils), agissant sur le circulateur et sur la vanne deux voies motorisée.
  5. Vanne motorisée électro-thermique modulant le débit suite au signal chrono-proportionnel reçu du régulateur.

Solution intégrant la commande de radiateurs

Avec le même matériel, le schéma ci-dessous signale que le régulateur peut également gérer le chauffage statique en hiver, la commande de l'éclairage et la réponse d'un contact de fenêtre.

Avantages

  • Le confort est meilleur que dans les systèmes traditionnels (par ventilo-convecteurs par exemple).

    1. Parce que l'apport de froid par rayonnement est plus stable (inerte) et mieux réparti spatialement que l'apport de froid par air,
    2. parce qu'il conserve "la tête au frais",
    3. parce que le confort est renforcé par l'absence de courant d'air froid, puisque le débit d'air est limité au débit hygiénique,
    4. parce ces mouvements d'air limités entraînent peu de déplacement de poussières dans les locaux.

  • La séparation entre la fonction ventilation des locaux (air neuf hygiénique) et l'apport thermique (apport de froid) est un gage de bonne régulation.

  • L'air neuf ne sera pas recyclé, évitant ainsi les risques de contamination liés au recyclage de l'air ("sick buildig syndrom").

  • L'absence de bruit est un confort non négligeable (fonctionnement statique, faible débit d'air neuf pulsé).

  • La préparation d'eau glacée à une température "élevée" de 15°C environ permet la sélection d'une machine frigorifique avec un excellent coefficient d'efficacité frigorifique (ou "COP frigorifique"). cette propriété est perdue si la même machine frigorifique est utilisée pour préparer l'air neuf déshumidifié ...

  • Cette température élevée permet d'imaginer, durant une bonne partie de l'année, un refroidissement direct de l'eau glacée dans les tours de refroidissement en toiture, en by-passant ainsi la machine frigorifique. Cette technique est généralement appelée "free-chilling". La consommation liée au froid se résume à l'alimentation des pompes de circulation ! La présence d'une source d'eau froide naturelle peut également être mise à profit (rivière, lac, ...)

  • Le transport du froid vers les locaux par de l'eau glacée (pompe) est environ dix fois moins énergétique que le transport par de l'air froid (ventilateurs des systèmes "tout air").

  • Le confort apporté par le rayonnement froid au dessus des occupants permet une augmentation de 2°C de la consigne de température ambiante des systèmes traditionnels (température max = 26°C ou 27°C, au lieu des 24 ou 25°C habituels pour des ventilos ou des poutres froides, par exemple). Il s'en suit une réduction de la puissance frigorifique nécessaire.

  • Les coûts d'exploitation énergétiques sont plus faibles que dans le cas des systèmes traditionnels (ventilo-convecteurs par exemple). Une étude de cas réalisée par Tractebel Development Engineering précise ce facteur. On épargne la consommation des ventilateurs des ventilo-convecteurs, mais on augmente un peu la consommation des pompes de distribution de l'eau puisque qu'un delta T° aller-retour de 2 à 3 K est réalisé contre 5 à 6 K pour les ventilos.

  • Une économie supplémentaire provient du fait qu'une part de la consommation des ventilos-convecteurs est donnée en chaleur latente sur l'air (la température de la boucle d'eau glacée est inférieure à la température de rosée de l'ambiance et l'humidité de l'air se condense, parfois inutilement). Ce fait ne se produit pas avec les plafonds, ... sauf si c'est l'air neuf qui est fortement déshumidifié...

  • La régulation est en partie auto-adaptative : une augmentation des charges du local provoque une augmentation de sa température et donc une augmentation de la puissance de refroidissement.
  • L'entretien semble réduit.

  • L'encombrement au sol est nul !

  • Le système ne demande que le percement de trous pour le passage de tuyauteries d'eau. En rénovation de bâtiments, on évite ainsi l'encombrement des gainages d'air de grandes dimensions... De plus, il est possible de récupérer l'ancienne installation de chauffage.

  • Le système requiert une hauteur de faux plafond inférieure à celle d'un système tout air.

  • Le traitement des zones internes par ce système est moins encombrant que par la climatisation en VAV ou par ventilo-convecteurs.

Inconvénients

  • La puissance frigorifique reste très limitée par rapport aux systèmes traditionnels. On dit parfois que c'est un système placé pour vaincre les apports internes (bureautique, éclairage, occupants). Ceci sous-entend que les apports solaires des vitrages soient limités :

    • soit par la conception du bâtiment créant des ombres portées,
    • soit par la mise en place de protections solaires extérieures,
    • soit par le placement de stores intérieurs clairs combinés à des vitrages performants,
    • soit par la configuration des lieux (bureaux paysagers, salles profondes).

  • Le coût d'installation est fort élevé, surtout en rapport à la puissance frigorifique fournie.

  • Ce coût est notamment lié à la régulation assez sophistiquée, notamment pour éviter tout risque de condensation.

  • Le chauffage en hiver reste non résolu ! Plusieurs solutions sont possibles :

    • soit le chauffage par le plafond (mais inconfortable),
    • soit un chauffage par le plafond limité aux premiers panneaux situés en façade (confortable mais limités en puissance),
    • soit un chauffage traditionnel par radiateur (solution généralement appliquée en rénovation puisque l'on peut récupérer l'installation existante).
  • La tenue dans le temps (problèmes hydrauliques, manque de performance dans les circuits mal éventés, ...) de ce type de produit reste une grande inconnue, vu le peu de recul que nous avons sur ce type d'installation. Ce risque peut être limité par un suivi de réalisation très rigoureux.

Les poutres froides

Domaine d'application

Les poutres froides font partie des équipements de refroidissement des locaux.
Il s'agit de tuyauteries parcourues par de l'eau glacée, serties d'ailettes pour favoriser l'échange convectif. Elles sont placées au plafond ou intégrées dans le faux plafond.
On distingue les poutres "actives" ou "dynamiques" (effet d'induction créé par l'air neuf) des poutres "passives" (convection naturelle uniquement)
En quelque sorte, ce sont des convecteurs de chauffage qui ont été placés au plafond pour faire du froid !
Cet échangeur travaille sous un faible écart de température, suite à la condition de non-condensation. Sa puissance frigorifique varie selon la largeur de la poutre, la présence d'induction, l'écart de température,...
Ce produit étant à la mode, la Belgique voit son parc de poutres froides s'agrandir d'année en année, principalement dans les bureaux.
Cette technique s'adapte à la construction nouvelle, mais aussi en rénovation grâce au fait de ne pas devoir percer des parois pour le passage de gainages d'air volumineux.

Fonctionnement

La poutre froide convective se présente sous la forme d'un échangeur de grande longueur. Il est placé nu ou habillé pour être intégré à un faux plafond. Les poutres sont parcourues par de l'eau qui varie entre 15 et 19°C selon les besoins de refroidissement. On ne peut descendre plus bas suite au risque de condensation de la vapeur d'eau contenue dans l'ambiance.
L'échange se fait principalement par convection naturelle.
On distingue cependant deux types de fonctionnement :

Les poutres "actives", ou poutres à induction

L'air neuf hygiénique est injecté par des petites tuyères, créant un appel d'air secondaire venant du local. La convection dans l'échangeur est ainsi renforcée.
Peut-on comparer ce système à un éjecto-convecteur ?
  • Oui, dans la mesure où l'induction par effet Venturi est identique.

  • Non, la comparaison est abusive diront certains, car les vitesses d'air injecté sont nettement plus faibles (pour éviter de créer du bruit !) et l'augmentation de puissance par rapport au système statique n'est pas énorme (de 10 à 30 %). La pression régnant dans le conduit d'air neuf est de 150 à 200 Pa.
Le taux d'air neuf varie entre 1 et 2,5 Volume/heure. Il apporte environ un tiers de la puissance frigorifique totale.
Par le même système, le chauffage des locaux est possible en hiver, même si l'apport de chaleur en partie supérieure du local entraîne une stratification non négligeable des températures !
Exemple d'application.
Bureau paysager...
... équipé de poutres dynamiques.
Le tube central apporte l'air hygiénique, les conduites de cuivre apportent l'eau froide.

 Les poutres passives, à convection naturelle :

Il s'agit d'un échangeur travaillant par simple convection naturelle : l'air chaud du local monte, arrive au dessus de la poutre, traverse l'échangeur, se refroidit et redescend, puisque plus lourd...
Il est important de respecter les espaces nécessaires au bon fonctionnement d'une poutre. Ainsi, si la poutre est intégrée dans un faux plafond, celui-ci devra être ajouré pour laisser passer l'air de convection.
L'apport d'air neuf est dans ce cas indépendant du fonctionnement de la poutre.

Technologies

Les technologies utilisées sont très similaires entre elles. Les poutres se distinguent essentiellement 
  • par leur habillage (poutre carénée ou poutre intégrée dans un faux plafond),
  • par leur intégration dans le local et/ou dans son faux plafond, avec l'objectif de favoriser la convection de l'air,
  • par la distribution de l'air neuf dans la poutre, pour les poutres à induction.
Par exemple, certains modèles n'injectent l'air primaire que d'un seul côté :

Installation

On distingue essentiellement les poutres autonomes qui se placent sous le plafond comme des luminaires,
et les poutres qui sont intégrées, voire cachées dans les faux plafonds.
Différentes formules sont possibles pour que l'air de l'ambiance circule au travers de l'échangeur :
>  une plaque de faux plafond très perforée à côté de la poutre,
>  un faux plafond avec des lames très espacées,
>  une poutre en alternance avec les luminaires,...
Idéalement, la poutre doit être située parallèlement à la fenêtre et du côté du couloir. C'est ainsi que le mouvement de circulation de l'air se fera le plus naturellement (boucle convective qui descend le long du couloir et remonte le long de la fenêtre). Et pourtant, dans 90 % des cas, on rencontre des poutres perpendiculaires à la fenêtre ! C'est sans doute une question d'esthétique vis-à-vis des luminaires...
Attention à celui qui travaille en dessous !
Il est possible, par exemple, de l'intégrer au dos d'une armoire, sur le mur opposé à la fenêtre.

Régulation

Le circuit des poutres est alimenté au régime aller-retour de 15°C - 17°C.

Contrôle de la condensation

Différentes dispositions seront prises pour limiter le risque de condensation 
  • limitation de la température de départ de l'eau pour les réseaux intégrés dans la dalle de plafond,

  • contrôle de l'humidité relative à proximité du plafond et coupure de l'alimentation en eau, pour les réseaux en faux plafonds,

  • contrôle des conditions extérieures pour anticiper les fluctuations d'humidité à l'intérieur du local.
Dans un bâtiment avec fenêtres ouvrantes, l'alimentation du plafond en eau doit pouvoir être interrompue par un contact de feuillure.

Schémas de principe

La régulation de l'alimentation en eau des poutres vise classiquement au maintien de la température de consigne, mais aussi au contrôle de l'absence de condensation sur les tuyauteries.
Sur base de la mesure de la température de l'air ambiant et de son humidité relative, le régulateur détermine le point de rosée de l'ambiance et limite la température de l'eau à un niveau de 1 à 1,5°C supérieur à ce point de rosée.
Cette protection peut également être assurée par un détecteur de condensation placé à la surface du tube d'entrée : si l'humidité relative de l'air à la surface du tube approche de la condensation, un contact est actionné; la vanne est fermée et, éventuellement, la pompe est arrêtée.
Cette pompe peut également être mise à l'arrêt 
  • si la température ambiante est inférieure à sa consigne,
  • si le contact de feuillure placé sur les ouvrants des châssis signale une fenêtre ouverte.

Schéma de raccordement hydraulique

Le raccordement hydraulique et la régulation des poutres froides sont similaires à ceux mis en place pour les radiateurs ou les convecteurs : une régulation par vannes trois voies modulante pour chaque départ de zone homogène.
Par exemple, pour l'implantation ci dessous :
On peut prévoir :

Avantages

  • La séparation entre la fonction ventilation des locaux (air neuf hygiénique) et l'apport thermique (apport de froid) est un gage de bonne régulation.

  • L'air neuf ne sera pas recyclé, évitant ainsi les risques de contamination liés au recyclage de l'air (sick buildig syndrom).

  • Le bruit est limité, pour autant que l'air neuf ne soit pas pulsé à trop haute vitesse (attention aux systèmes actifs).

  • La préparation d'eau glacée à une température de 15°C environ permet la sélection d'une machine frigorifique avec un excellent coefficient d'efficacité frigorifique (ou "COP frigorifique"). Cette propriété n'est tout à fait effective que si une machine frigorifique est spécifiquement prévue pour l'alimentation en eau froide des plafonds. Elle est en partie perdue si la même machine frigorifique est utilisée pour préparer l'air neuf déshumidifié ...

  • Cette température élevée permet d'imaginer, durant une bonne partie de l'année, un refroidissement direct de l'eau glacée dans un aéro-refroidisseur ou dans une tour de refroidissement en toiture, en by-passant ainsi la machine frigorifique. Cette technique est généralement appelée "free-chilling". La consommation liée au froid se résume à l'alimentation des pompes de circulation ! La présence d'une source d'eau froide naturelle peut également être mise à profit (rivière, lac, ...)

  • Le transport du froid vers les locaux par de l'eau glacée (pompe) est environ dix fois moins énergétique que le transport par de l'air froid (ventilateur).
  • La poutre ne fait intervenir qu'un seul corps de métier. Le plafond froid combine lui deux compétences : la pose de faux plafonds et la pose de tuyauteries. L'ensemble est plus complexe à gérer, d'autant que l'oeil est très sensible à la planéité des plafonds.

  • L'encombrement au sol est nul !
  • Certaines poutres froides sont simultanément utilisées comme luminaires.

  • Le système ne demande que le percement de trous pour le passage de tuyauteries d'eau. En rénovation de bâtiments, on évite ainsi l'encombrement des gainages à air de grandes dimensions... De plus, il est possible de récupérer l'ancienne installation de chauffage.

Inconvénients

  • Le coût d'installation est élevé, du moins en rapport à la puissance frigorique fournie.

  • Le confort apporté par les poutres froides est objet à discussion :

    • La poutre statique génère une "coulée" d'air froid très désagréable sur les personnes situées sous les poutres. Elle ne peut a priori se placer que dans les locaux de grande hauteur.

    • Par contre, la poutre dynamique semble plus confortable car elle induit un mélange avec l'air ambiant plus élevé et donc une température de l'air plus homogène.

    • Cependant, à l'intersection entre les flux d'air créés par deux poutres voisines parallèles, les deux flux d'air risquent de tomber sur la tête d'un utilisateur !

    L'utilisation de poutres froides demande donc une plus grande vigilance que les plafonds froids en matière de vitesses d'air résiduelles et d'inconfort lié aux turbulences.
  • La puissance frigorifique reste limitée par rapport aux systèmes traditionnels. Ou du moins, placer des poutres dans les plafonds risque de générer des problèmes d'inconfort si bien que la densité maximale admissible reste faible.
  • Dans le cas des poutres dynamiques, il est courant de pulser un débit d'air supérieur à celui strictement nécessaire pour assurer l'air neuf hygiénique dans les locaux. Autrement dit, pour assurer la puissance de refroidissement demandée par le local, l'air primaire pulsé passe bien souvent de 1 renouvellement horaire à deux renouvellements. Le débit d'air total brassé est alors de l'ordre de 5 (3 renouvellements d'air secondaire sont induits). Or c'est de l'air neuf qui est ainsi doublé, ce qui va générer une consommation supplémentaire très élevée durant la vie du bâtiment.
  • La poutre dynamique est très semblable à l'éjecto-convecteur dans son mode de fonctionnement. On peut donc lui faire les mêmes nombreux reproches. Il est d'ailleurs très curieux que l'éjecto-convecteur, écarté du marché car ne convenant plus aux besoins de souplesse des locaux, revienne aujourd'hui, sous une forme plus complexe encore en matière de maintenance : dans le plafond ! Le prix d'investissement justifie-t-il de refaire les mêmes erreurs ?

  • L'encrassement des poutres demande un entretien régulier, pas toujours aisé lorsqu'on ne souhaite pas interrompre l'activité des personnes.

Coût

Coûts d'investissement ?
Les coûts d'exploitation énergétiques sont plus faibles que dans le cas des systèmes traditionnels (ventilo-convecteurs par exemple). Une étude de cas réalisée par Tractebel Development Engineering précise ce facteur pour les plafonds froids. La situation est similaire pour les poutres froides puisqu'on épargne la consommation des ventilateurs des ventilo-convecteurs, mais on augmente un peu la consommation des pompes de distribution de l'eau puisque qu'un delta T° aller-retour de 2 à 3 K est réalisé contre 5 à 6 K pour les ventilos.

Prédimensionnement

Puissance

Pour les poutres froides statiques, la puissance peut atteindre 70 à 200 W/m linéaires, en fonction de la température ambiante, de la température de l'eau froide et de la largeur de la batterie.
Pour les poutres dynamiques, la puissance est fonction des paramètres suivants :
  • températures d'eau froide (in/out),
  • température ambiante,
  • débit d'air primaire,
  • taux d'induction.
Sur base
  • d'un débit d'air primaire correspondant à 50 m³/h par m de poutre,
  • soit environ 3 renouvellements d'air/heure, si on considère un mètre linéaire de poutre pour 6 m² au sol,
  • d'un écart de température (ambiance - eau froide) de 10°C.
La puissance de refroidissement est de l'ordre de 435 W/m, y compris le refroidissement dû à l'air primaire. Cette puissance permet donc d'assurer un refroidissement correspondant à une charge calorifique dans le local d'environ 75 W/m2.
Mais certains constructeurs atteignent, à débit d'air égal, des puissances de refroidissement jusqu'à 110 W/m2.

Emplacement

Pour les systèmes passifs, le placement des unités et la dimension correcte de la reprise d'air sont très importants. Si on ne prête pas suffisamment attention à ces deux points, la puissance attendue ne sera pas atteinte.
On sera également attentif à l'emplacement de l'apport d'air neuf et à son interaction avec les poutres passives.
Source : Conférence de Mr P.A. Delattre - Tracrebel Development Engineering - journée ATIC du 25.09.98